JP2018090096A - 無人噴射装置、噴射方法及び噴射プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】物質を噴射する作業を実施するときに、有効に物質を活用することができる無人噴射装置、噴射方法及び噴射プログラムを提供すること。【解決手段】自律飛行可能な無人噴射装置１は、物質を噴射する対象を認識する対象認識手段と、対象に対し、噴射のために規定された作業距離まで近づく接近手段と、噴射による反動を算出する反動算出手段と、反動に基づいて、無人噴射装置１の駆動手段を制御し、前記作業距離を維持する作業距離維持手段と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、無人噴射装置、噴射方法及び噴射プログラムに関する。

従来、小型無人ヘリコプター（ドローンとも呼ばれる）の利用が提案されている。

特開２００４−２５６０２０号公報

近年、高層ビルの上層階における火災などに対応するために、小型無人ヘリコプターを消火用に利用する提案が行われている。ところで、小型無人ヘリコプターは、空中を飛行するものであるから、消火剤の搭載重量には制限がある。このため、消火剤を有効に活用しなければ、有効な消火活動を実施することができない。

本発明はかかる問題の解決を試みたものであり、物質を噴射する作業を実施するときに、有効に物質を活用することができる無人噴射装置、噴射方法及び噴射プログラムの提供を目的とする。

第一の発明は、自律飛行可能な無人噴射装置であって、物質を噴射する対象を認識する対象認識手段と、前記対象に対し、作業距離まで近づく接近手段と、
前記噴射による反動を算出する反動算出手段と、前記反動に基づいて、前記無人噴射装置の駆動手段を制御し、前記作業距離を維持する作業距離維持手段と、を有する無人噴射装置である。

第一の発明の構成によれば、無人噴射装置は、噴射する対象に対して、作業距離まで近づいて、噴射による反動を算出し、その反動に基づいて、駆動手段を制御し、作業距離を維持することができる。これにより、反動によって、無人噴射装置が作業距離よりも遠くに離れてしまい、物質を有効に活用できなくなる事態を回避することができる。すなわち、物質を噴射する作業を実施するときに、有効に物質を活用することができる。

第二の発明は、第一の発明の構成において、前記接近手段は、前記対象認識手段によって認識した対象との距離をレーザー距離計によって取得した測定結果によって算出する、無人噴射装置である。

第三の発明は、第一または第二のいずれかの発明の構成において、前記対象認識手段は、深層学習（ディープラーニング）によって生成された特徴データを参照する無人噴射装置である。

第四の発明は、第一の発明乃至第三の発明のいずれかの構成において、前記対象は、火元であって、前記対象認識手段は、炎を認識し、さらに、火元を認識するように構成されており、前記接近手段は、前記火元に接近するように構成されている無人噴射装置である。

第五の発明は、第一の発明乃至第四の発明のいずれかの構成において、雰囲気温度を計測する温度計測手段を有し、前記無人噴射装置は、前記接近手段によって、前記雰囲気温度が許容温度未満であることを条件に、前記火元に接近するように構成されている無人噴射装置である。

第六の発明は、自律飛行可能な無人噴射装置が実施する噴射方法であって、物質を噴射する対象を認識する対象認識ステップと、前記対象に対し、作業距離まで近づく接近ステップと、前記噴射による反動を算出する反動算出ステップと、前記反動に基づいて、前記無人噴射装置の駆動手段を制御し、前記作業距離を維持する作業距離維持ステップとを含む噴射方法である。

第七の発明は、自律飛行可能な無人噴射装置を制御するコンピュータを、物質を噴射する対象を認識する対象認識手段、前記対象に対し、作業距離まで近づく接近手段、前記噴射による反動を算出する反動算出手段、前記反動に基づいて、前記無人噴射装置の駆動手段を制御し、前記作業距離を維持する作業距離維持手段、として機能させるためのプログラムである。

以上のように、本発明によれば、物質を噴射する作業を実施するときに、有効に物質を活用することができる。

本発明の実施形態の概略を示す図である。 本発明の実施形態の無人噴射装置を示す概略図である。 無人噴射装置の機能ブロックを示す概略図である。 無人噴射装置の作用を示す図である。 無人噴射装置の動作を示す概略フローチャートである。 無人噴射装置の動作を示す概略フローチャートである。 無人噴射装置の動作を示す概略フローチャートである。

本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、当業者が適宜実施できる構成については説明を省略し、本発明の基本的な構成についてのみ説明する。

＜第一の実施形態＞
図１の無人噴射装置１（以下、「無人機１」という。）は、いわゆる、ドローン、あるいは、マルチコプターであり、複数の回転翼を有する。無人機１は無人噴射装置の一例である。無人機１は、高層ビルにおける火災の消火作業を行うものとして、以下、説明する。

図１において、高層ビル２００の上層階において火事が起きている。上層階から、炎Ｆ及び煙Ｓがでている。無人機１は、炎Ｆの火元部分に所定距離まで近接し、消火剤Ｅを火元に噴射して、消火作業を実施する。本明細書において、消火作業を実施するときの位置を「作業位置」と呼ぶ。無人機１は、消火剤の噴射による反動Ｘ１を算出し、反動Ｘ１を相殺するための推力Ｘ２（以下、「相殺推力Ｘ２」と呼ぶ）を発生させる。これにより、無人機１は、火元と所定距離を維持しつつ、消火作業を実施することができる。

図２に示すように、無人機１は、筐体２を有する。筐体２には、丸棒状のアーム４が接続されている。各アーム４にはモーター６が接続されており、各モーター６にはプロペラ８が接続されている。各モーター６は、筐体２内のコンピュータによってそれぞれ独立して制御され、無人機１を上下水平方向の移動や回転、空中での停止（ホバリング）及び姿勢制御を自在に行うことができるようになっている。アーム４には保護枠１０が接続され、プロペラ８が外部の物体に直接接触することを防止している。アーム４及び保護枠１０は、例えば、炭素繊維強化プラスチックで形成されており、強度を保ちつつ、軽量に構成されている。

筐体２には、無人機１の各部を制御するコンピュータ、無線通信装置、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を利用した測位装置、自律飛行制御装置、加速度センサー及びジャイロセンサー等の慣性センサー、磁気センサー、気圧センサー、温度センサー、バッテリー等が配置されている。また、筐体２には、固定装置（いわゆる、「ジンバル」）１２を介して情報取得部１４が配置されている。情報取得部１４は、カメラ１４ａとレーザー距離計１４ｂで構成される。カメラ１４ａは、デジタル画像を撮像するデジタルカメラ、あるいは、ビデオカメラ等である。レーザー距離計１４ｂは、レーザーレンジ、あるいは、レーザースキャナーである。無人機１は、無線通信装置によって、基地局１００（図３参照）と通信可能になっている。

筐体２には、アーム４を介して、消火装置１６が接続されている。消火装置１６は、消火剤を格納する容器部１６ａ、消火剤の噴射のための構成である噴射部１６ｂ、及び、噴射口１６ｃを有する。噴射部１６ｂには、ポンプが配置されており、所定範囲の吐出圧力で、消火剤を噴射口１６ｃから吐出することができるようになっている。

図３に示すように、無人機１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）５０、記憶部５２、無線通信部５４、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）部５６、慣性センサー部５８、駆動制御部６０、画像処理部６２、距離測定部６４、消火制御部６６、及び、電源部６８を有する。

無線通信部５４によって、無人機１は基地局１００と通信可能になっている。基地局１００は、無人機１の離陸及び着陸を監視及び管理する管理装置の一例であり、適宜、飛行に関する指示を与えるようになっている。

ＧＰＳ部５６と慣性センサー部５８によって、無人機１は機体の位置を測定することができる。ＧＰＳ部５６は、基本的に、３つ以上のＧＰＳ衛星からの電波を受信して無人機１の位置を計測する。慣性センサー部５８は、例えば、加速度センサー、ジャイロセンサー及び磁気センサーによって、出発点からの無人機１の移動を積算して、無人機１の位置を計測する。また、慣性センサー部５８によって、無人機１の向きを認識し、さらに、無人機１の姿勢の変化を感知することができる。駆動制御部６０によって、各モーター６の回転を制御し、無人機１の移動や姿勢を制御することができる。

画像処理部６２によって、無人機１は、カメラ１４ａを作動させて画像を取得することができる。

距離測定部６４によって、無人機１は、レーザー距離計１４ｂを作動させて距離データを取得することができる。

消火制御部６６によって、無人機１は、消火装置１６を制御して、消火剤を所定の噴射圧力で噴出することができる。

電源部６８は、例えば、交換可能な可充電電池であり、無人機１の各部に電力を供給するようになっている。

記憶部５２には、出発点から目的位置まで自律飛行するための飛行計画を示すデータ等の無人飛行に必要な各種データ及びプログラムや、以下の各プログラムが格納されている。

記憶部５２には、位置情報生成プログラム、自律移動プログラム、画像取得プログラム、対象認識プログラム、接近プログラム、噴射圧力決定プログラム、反動算出プログラム、作業距離維持プログラム、及び、作業実施プログラムが格納されている。

ＣＰＵ５０及び位置情報生成プログラムは、位置情報生成手段の一例である。位置情報は、無人機１自体の位置を示す情報である。無人機１は、ＧＰＳ部５６と慣性センサー部５８によって無人機１の絶対位置、向きや姿勢を示す情報を継続的に生成し、保持している。

ＣＰＵ５０及び自律移動プログラムは、自律移動手段の一例である。無人機１は、例えば、基地局１００から、消火現場である高層ビル２００の座標を示す座標情報を受信すると、記憶部５２に格納された高層ビル２００の形状や周辺の地形や構造物の位置を参照し、高層ビル２００へ向かって、自律移動するようになっている。

ＣＰＵ５０及び画像取得プログラムは、カメラ１４ａを作動させて、作業対象の画像を取得するための画像取得手段の一例である。無人機１は、例えば、高層ビル２００の近傍に至ったと判断した場合に、高層ビル２００の方向の画像取得を開始する。高層ビル２００の近傍とは、例えば、高層ビル２００の座標から水平距離で１００メートル（ｍ）以内である。

ＣＰＵ５０及び対象認識プログラムは、対象認識手段の一例である。対象認識プログラムは、深層学習（ディープラーニング）によって生成された特徴データを参照するようになっており、取得した画像に含まれる物体の特徴を識別して、物体を画像認識できるようになっている。なお、深層学習（ディープラーニング）とは、多層構造のニューラルネットワークの機械学習であり、画像認識の分野が有力な活用分野の一つである。

無人機１は、カテゴリーごとの多数の特徴情報に基づいて、カメラ１４ａによって取得した画像に含まれる物体の特徴を識別して、物体のカテゴリーを認識できるようになっている。ここで、カテゴリーとは、高層ビル、煙や炎等の物体の種類を意味する。

具体的には、無人機１は、カメラ１４ａで取得した画像について、例えば、輪郭や個々の構成の方向といった特徴を多数抽出し、ディープラーニングで取得した各カテゴリーの特徴データと対比して、相関性（相関度）を判断する。相関度が高いほど、取得した画像中の物体が特定のカテゴリーに属する可能性が高い。例えば、相関度が０の場合には、特定のカテゴリーに属する可能性（以下、「カテゴリー共通確率」と呼ぶ。）は０％として、相関度が最大値を示すときに、カテゴリー共通確率が１００％であると定義する。無人機１は、カテゴリー共通確率が所定の基準値である、例えば、９５％以上であるときに、取得した画像中の物体のカテゴリーが、特定のカテゴリーに属すると判断する。

無人機１は、炎及び煙の形状を示す特徴データを有しており、画像認識によって、煙や炎を認識することができるようになっている。また、炎の形状や各部の色の相違から、火元を認識することができる。炎の下部が火元であり、消火剤を噴射する目標となる。

ＣＰＵ５０及び接近プログラムは、接近手段の一例である。無人機１は、接近プログラムによって、炎Ｆ（図１参照）の火元から所定距離まで接近する。無人機１は、上述の画像認識によって炎Ｆを認識した場合には、炎Ｆに向かって接近し、さらに、炎Ｆの下部、すなわち、火元に向かって接近する。また、画像認識によって煙Ｓを認識した場合には、煙Ｓに向かって接近し、炎Ｆを認識した段階で、炎Ｆに向かって接近する。一般的には、煙Ｓの方が炎Ｆよりも遠方から認識することができるから、典型的には、無人機１は、まず、煙Ｓを画像認識して、火災現場の方向に向かい、炎Ｆを画像認識した段階で、炎Ｆに向かい、さらに、炎Ｆの下部である火元に向かう。これにより、高層ビル２００のような大規模な建造物において、火災が建造物の一部において発生している場合であっても、迅速に、火元に接近することができる。すなわち、火災現場の座標には、実際には、火災現場とそうではない場所があるのが通常であるが、無人機１は、正確に火災現場、しかも、火元に向かうことができる。

無人機１は、接近プログラムによって、周囲の温度を計測しつつ、作業距離になるまで火元に接近する。図４を参照して、作業距離を説明する。無人機１が、火元に消火剤を有効に到達させることができる距離を消火可能距離Ｌ１とする。消火可能距離Ｌ１は、例えば、火元から２０メートル（ｍ）である。無人機１は、火元に消火可能距離Ｌ１以内に接近すれば、消火作業が可能になる。一方、無人機１と火元との間で確保が必要な距離を近接限界距離Ｌ２とする。無人機１が、火元である高層ビル２００に近接しすぎると、高層ビル２００の壁に衝突したり、火災現場からの落下物に衝突したりするなどの危険が生じるから、近接する限界距離として近接限界距離Ｌ２を規定する。近接限界距離Ｌ２は、例えば、３メートル（ｍ）である。無人機１は、雰囲気温度を考えなければ、消火可能距離Ｌ１において、火元から最も遠い位置Ｐ１と、火元から近接限界距離Ｌ２の位置Ｐ２の間において、消火作業を実施することができる。無人機１は、接近プログラムによって火元に接近するときに、筐体２内のレーザー距離計１４ｂを作動させて、距離を計測する。

無人機１にとっては、周辺の雰囲気温度も重要であるから、許容温度Ｔｍａｘを設定する。許容温度Ｔｍａｘは、無人機１の機能が損なわれない最高の温度（限界温度）よりも低い温度として規定されており、例えば、摂氏８０度（８０℃）である。

無人機１は、位置Ｐ１とＰ２の間において、火元に近いほど、効果的に消化作業を実施することができる。そこで、位置Ｐ１と位置Ｐ２の間において、許容温度Ｔｍａｘ未満の位置Ｐ３に対応する距離を作業距離とする。なお、位置Ｐ３を作業位置Ｐ３と呼ぶ。無人機１は、接近プログラムによって火元に接近するときに、温度センサーを作動させて、周辺の雰囲気温度を計測する。

ＣＰＵ５０及び噴射圧力決定プログラムは、噴射圧力決定手段の一例である。無人機１は、噴射圧力決定プログラムによって、消火装置１６からの消火剤の噴射圧力を決定する。記憶部５２には、火元からの距離と必要な噴射圧力との関係を示す圧力関連データが格納されており、無人機１は、圧力関連データを参照して、実際の作業距離に応じて噴射圧力を決定する。

ＣＰＵ５０及び反動算出プログラムは、反動算出手段の一例である。無人機１は、反動算出プログラムによって、消火装置１６からの消火剤の噴射による反動Ｘ１（図１、図４参照）の大きさを算出する。記憶部５２には、消火剤の噴射圧力と反動の大きさとの関連を示す反動関連データが格納されており、無人機１は、反動関連データを参照して、反動を算出する。

ＣＰＵ５０及び作業距離維持プログラムは、作業距離維持手段の一例である。無人機１は、作業距離維持プログラムによって、消火剤の噴射による反動を相殺するための推力を発生させる。具体的には、各モーター６の回転数を調整し、反動と反対方向、すなわち、火元に近接する方向の推力（相殺推力Ｘ２）を発生させる。相殺推力Ｘ２は、反動と逆方向で、かつ、大きさが実質的に等しい。相殺推力Ｘ２によって、消火剤の吐出による反動は相殺され、無人機１は作業距離を維持することができる。

ＣＰＵ５０及び作業実施プログラムは、作業実施手段の一例である。無人機１は、作業実施プログラムによって、火元に向けて、消火剤を噴射する。無人機１は、画像認識によって炎の下部、すなわち、火元を認識することができ、火元に向かって、消火剤を噴射する。これにより、効果的に消化作業を実施することができる。

以下、無人機１の動作を図５、図６及び図７のフローチャートで説明する。無人機１は、発進すると（図５のステップＳＴ１）、無人機１自体の位置を示す位置情報を生成しつつ、高層ビル２００の座標に自律移動する。そして、目標座標近傍に到達したか否かを判断し（ステップＳＴ２）、目標近傍に到達したと判断した場合には、カメラ１４ａを作動させて画像を取得する（ステップＳＴ３）。続いて、無人機１は、取得した画像中に作業現場である火災現場を認識すると（ステップＳＴ４）、作業位置へ移動し（ステップＳＴ５）、消火作業を実施する（ステップＳＴ６）。無人機１は、目的を達成したか、すなわち、消火が完了したかを画像認識によって判断し（ステップＳＴ７）、目的を達成した場合には、作業を停止し（ステップＳＴ８）、基地局１００へ帰還する（ステップＳＴ９）。なお、消火剤を全量噴出した場合には、消火が完了していなくても、基地局１００へ帰還する。上述のステップＳＴ８において、無人機１は、画像認識によって、画像中に炎を認識できない場合に、消火が完了したと判断する。

ステップＳＴ５の詳細を図６のステップＳＴ５１乃至ステップＳＴ５７として説明する。無人機１は、画像認識によって、火元を認識すると（ステップＳＴ５１）、火元へ向かって移動し（ステップＳＴ５２）、許容温度Ｔｍａｘ未満の温度か否かを判断する（ステップＳＴ５３）。無人機１は、許容温度Ｔｍａｘ未満ではない（許容温度Ｔｍａｘ以上である）と判断すると、火元への接近方向を変更する（ステップＳＴ５４）。例えば、風が吹いている場合、火元との位置関係において、風上の方が温度が低いから、風上から火元に接近する方が、低い雰囲気温度の空中を飛行できる。

無人機１は、許容温度Ｔｍａｘ以下であると判断すると（ステップＳＴ５３）、火元との距離が消火可能距離Ｌ１以内であるか否かを判断する（ステップＳＴ５５）。無人機１は、火元との距離が消火可能距離Ｌ１以内であると判断すると、さらに接近可能か否かを判断する（ステップＳＴ５６）。ステップＳＴ５６においては、許容温度Ｔｍａｘ未満であり、かつ、火元との距離が近接限界距離Ｌ２よりも遠いという条件において、火元へ向かって移動する（ステップＳＴ５７）。そして、その条件を満たさず、さらに接近可能ではないと判断すると（ステップＳＴ５６）、その時点の位置である作業位置Ｐ３において、消火作業を実施する（ステップＳＴ６）。

次に、ステップＳＴ６の詳細を図７を参照して説明する。無人機１は、作業位置Ｐ３へ移動すると（ステップＳＴ５）、消火剤噴射の反動を算出し（ステップＳＴ６１）、消火剤を噴射すると同時に火元に向かう推力（相殺推力Ｘ２）を発生させて、反動Ｘ１を相殺する（ステップＳＴ６２）。これにより、無人機１は作業距離を維持しつつ、消火作業を実施することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えることができる。本発明は、高層ビルなどの壁への塗料の噴射塗布にも利用することができる。一定の面積に一定量の塗料を噴射塗布するときに、噴射の反動を相殺する技術は有用である。また、例えば、高層ビルなどの壁の傷を画像認識によって認識し、その傷に対して、修繕のための物質を噴射塗布することもできる。また、水平方向の噴射に限定されず、垂直方向の噴射にも適用できる。例えば、災害時において、救助を要する家屋の屋根に、上空から下方に向かってインクを噴出し、「ＳＯＳ」などの文字を描く場合にも適用可能である。

１ 無人噴射装置（無人機）
５０ ＣＰＵ
５２ 記憶部
５４ 無線通信部
５６ ＧＰＳ部
５８ 慣性センサー部
６０ 駆動制御部
６２ 画像処理部
６４ 距離測定部
６６ 消火制御部
６８ 電源部

Claims (7)

1. 自律飛行可能な無人噴射装置であって、
   物質を噴射する対象を認識する対象認識手段と、
   前記対象に対し、作業距離まで近づく接近手段と、
   前記噴射による反動を算出する反動算出手段と、
   前記反動に基づいて、前記無人噴射装置の駆動手段を制御し、前記作業距離を維持する作業距離維持手段と、
   を有する無人噴射装置。
2. 前記接近手段は、前記対象認識手段によって認識した対象との距離をレーザー距離計によって取得した測定結果によって算出する、
   請求項１に記載の無人噴射装置。
3. 前記対象認識手段は、深層学習（ディープラーニング）によって生成された特徴データを参照する請求項１または２に記載の無人噴射装置。
4. 前記対象は、火元であって、
   前記対象認識手段は、炎を認識し、さらに、火元を認識するように構成されており、
   前記接近手段は、前記火元に接近するように構成されている請求項１乃至３のいずれかに記載の無人噴射装置。
5. 雰囲気温度を計測する温度計測手段を有し、
   前記無人噴射装置は、前記接近手段によって、前記雰囲気温度が許容温度未満であることを条件に、前記火元に接近するように構成されている請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の無人噴射装置。
6. 自律飛行可能な無人噴射装置が実施する噴射方法であって、
   物質を噴射する対象を認識する対象認識ステップと、
   前記対象に対し、前記噴射のために規定された作業距離まで近づく接近ステップと、
   前記噴射による反動を算出する反動算出ステップと、
   前記反動に基づいて、前記無人噴射装置の駆動手段を制御し、前記作業距離を維持する作業距離維持ステップと、
   を含む噴射方法。
7. 自律飛行可能な無人噴射装置を制御するコンピュータを、
   物質を噴射する対象を認識する対象認識手段、
   前記対象に対し、前記噴射のために規定された作業距離まで近づく接近手段、
   前記噴射による反動を算出する反動算出手段、
   前記反動に基づいて、前記無人噴射装置の駆動手段を制御し、前記作業距離を維持する作業距離維持手段、
   として機能させるためのプログラム。